基于西门子S7-1500 PLC的电液伺服控制系统设计

李国锋

（诸城市圣阳机械有限公司，诸城 262229）

当前大多数电液伺服系统控制采用模拟控制器，功耗大，发热量大，价格昂贵，维护成本高，且在线监控和故障排除效率不佳。因此，有必要进行电液伺服系统控制的数字化升级[1]。构建基于西门子S7-1500 PLC的数字电液伺服控制系统，具有优良的实时监控能力，能及时解决工业生产中的各种问题，降低系统功耗，对电液伺服系统控制的数字化升级具有积极的现实意义。

1 电液伺服控制系统简介

电液伺服控制系统是由电信号处理传感器装置和液压动力机构组成的控制系统。该系统通常包括电液伺服阀、液压缸、检测器、放大器和负载等部分，基本构成见图1。

该系统控制信号通过反馈电位器和反馈放大器之间的差异进行路由。传送的指令信号经放大器放大后送至伺服阀，伺服阀将电压信号转换成伺服阀，然后将液压信号发送到液压缸，驱动液压缸运动，从而控制负载动作[2]。

2 电液伺服控制系统原理

电液伺服控制系统中阀门的控制是关键。在系统工作前，先对原始信号和标准信号进行校验，再通过数模（Digital/Analog，D/A）校验后将数字信号转换为模拟信号进行控制。为了实现闭环控制，控制器的信号来自电气设备信号和液压缸运动信号。控制器的作用是对这些信号进行校正和分析[3]。为使系统更准确地运行，处理器的处理速度必须达到一定要求，同时需建立控制模型。模糊比例-积分-微分（Proportion-Integral-Differential，PID）控制适用于电液伺服控制。基于模糊PID的电液伺服控制系统模型见图2。

3 电液伺服控制系统硬件设计

3.1 PLC选型

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC） 选型主要涉及中央处理器（Central Processing Unit，CPU）和输入 /输出（Input/Output，I/O）模块的选型。经过对比，选用西门子近年推出的S7-1500系列高性能PLC，其CPU为1512C-1PN[4]。与其他系列的PLC相比，该系列PLC的响应速度更快，PROFINET数据通信速度更高，配置和编程更高效，维护成本更低，命令执行时间48位，可快速处理输入输出信号。S7-1500 PLC模块的集成具有诊断功能，诊断级别代表通道级别[5]。发生错误时，无须额外编程即可快速准确找到受影响的通道，从而减少错误导致的停机时间。

3.2 主要硬件设计

3.2.1 电源模块

所选电源模块的输出功率必须大于PLC的CPU模块和所有输入输出模块的总功率，且需预留约30%的冗余。S7-1500背板总线信号模块电流消耗为1 225 mA，即1.8 A以下[6]。CPU317-2PN/DP从24 V加载每个模块，电源消耗的电流约为3 340 mA，没有超过PS3075A电源模块的额定电流，且有一定的余量。因此，S7-1500 PLC硬件架构选择PS3075A型电源模块能很好地满足要求。

3.2.2 数字量模块

S7-1500有大约30种类型的数字输入模块和数字输出模块。数字量输出模块通常通过故障指示器F来指示故障[7]。当数字量模块触发诊断消息时，发光二极管（LightEmitting Diode，LED）亮起，具有诊断功能的模块生成诊断消息并被发送到CPU由用户程序读取。如果在STEP7中对诊断中断功能进行了参数化，则会触发诊断中断。

3.2.3 模拟量模块

模拟量模块包括模拟量输入模块、模拟量输出模块和模拟量输入/输出模块。该模块功能丰富，属性可通过分配参数设置。参数分为静态参数和动态参数[8]。模拟量模块的参数只有一个诊断功能为静态参数，其余为动态参数。

3.2.4 接口模块

通过接口模块、电缆可实现PLC的I/O快速接线。电缆两端连接器意见预制好，可有效减少接线错误，确保正确连接。本次选用性价比较高的IM365接口模块。

3.2.5 其他模块

除了常见的模块外，还包括仿真模块、占用模块和编码器模块，分别适用于仿真、接口模块占用和编码器检测[9]。

选定模块后可选择合适的PROFIBUS通信线路及导轨。该系统选择的PROFIBUS连接由两个RS-485和两个标准导轨组成。将每个硬件模块组装到导轨上，在接线端子上一一连接各I/O点，得到一个以S7-1500 PLC为核心的控制器。图3显示了控制器的硬件架构[10-12]。

采用交流220 V供电电源经伺服驱动器转换后接伺服电机，同时并联交直流转换开关得到直流24 V供PLC输入和传感器电源使用。

4 电液伺服控制系统软件设计

以工业机械手为例，实际生产中机械手处于周期性工作状态。本次设计使用定时器和计数器来模拟限位开关（限制工业机械手动作执行时间），根据系统控制要求分配I/O点，具体见表1。PLC程序流程如图4所示。

表1 I/O分配

按下按钮后，工件向左移动，同时机械手向右移动，下降后吸取工件并移动工件，达到指定位置后下降，将工件置于右侧皮带，皮带开始滚动，2 s后机械手松开工件并向右移动，吸取新的工件，循环进行。

5 结语

数字化电液伺服控制系统包含硬件部分和软件部分。硬件部分采用基于西门子S7-1500 PLC的数字控制器，可实现逻辑运算、数据采集、控制、显示和数据处理。软件部分的核心是STEP7梯形图程序。本文主要根据系统控制要求介绍数字控制器硬件的计算和选择方法，最终确定满足控制要求的硬件系统，对工业部门PLC元件的选型有一定的参考意义。